專利名稱：一種氣升式環(huán)流反應(yīng)器及利用其進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于青霉素發(fā)酵的反應(yīng)器及利用該反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方法，特別是涉及一種氣升式環(huán)流反應(yīng)器及利用氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方法。
背景技術(shù)：
高粘度非牛頓流體的絲狀菌體系的好氧發(fā)酵，典型如青霉素發(fā)酵，一般采用帶有機(jī)械攪拌的罐式發(fā)酵反應(yīng)器，通入空氣的條件下進(jìn)行生產(chǎn)，機(jī)械攪拌使空氣均勻的分布在罐體中，以保證菌體的生長(zhǎng)代謝的需要，但這種方法存在兩個(gè)重要的問(wèn)題一方面，攪拌電機(jī)的能耗和壓縮空氣的能耗使發(fā)酵過(guò)程的能耗普遍較高，一般動(dòng)力消耗占到成本的30-50%，在青霉素發(fā)酵生產(chǎn)中，采用機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵，電耗平均為20 25Kwh/BOU (B0U青霉素活性單位，下同)；另一方面，機(jī)械攪拌的剪切力同樣對(duì)絲菌體生長(zhǎng)構(gòu)成影響。青霉素發(fā)酵屬于二級(jí)發(fā)酵，分為青霉菌生長(zhǎng)繁殖和產(chǎn)抗兩個(gè)階段；在青霉素的發(fā)酵第一 個(gè)階段，機(jī)械剪切是有利的，它可促進(jìn)菌絲體的無(wú)性繁殖；但在后期產(chǎn)抗階段，機(jī)械剪切加速了菌絲體的自溶，進(jìn)而影響青霉素生物合成，并且不利于下游生產(chǎn)工序的處理。另外，機(jī)械攪拌式反應(yīng)器存在易染菌、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。非攪拌式發(fā)酵反應(yīng)器的開發(fā)一直是發(fā)酵反應(yīng)器的發(fā)展方向，而氣升式環(huán)流反應(yīng)器是其中最有希望取代攪拌反應(yīng)器的發(fā)酵反應(yīng)器。氣升式環(huán)流反應(yīng)器利用反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流筒內(nèi)外的氣液密度差為推動(dòng)力，而產(chǎn)生圍繞的導(dǎo)流筒環(huán)流，是一類高效氣-液，氣-液-固或氣-液-液多相反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳質(zhì)性能好，能耗較低，易于工程放大，在化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、環(huán)境工程、生化工程以及其它工業(yè)過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外在氣升式環(huán)流反應(yīng)器應(yīng)用于低黏度牛頓或擬牛頓流體的發(fā)酵過(guò)程有廣泛的應(yīng)用的研究，典型的如檸檬酸發(fā)酵；100m3和250m3采用氣升循環(huán)部分替代攪拌的半氣升式發(fā)酵罐已在檸檬酸發(fā)酵過(guò)程中的應(yīng)用，可使總耗電量節(jié)約30 40 %。而在氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器中直接培養(yǎng)產(chǎn)黃青霉菌株并進(jìn)行發(fā)酵的的相關(guān)技術(shù)則未見(jiàn)報(bào)道。氣升式環(huán)流反應(yīng)器難以應(yīng)用于青霉素發(fā)酵的主要原因是(I)由于氣升式環(huán)流反應(yīng)器的環(huán)流推動(dòng)力(導(dǎo)流筒內(nèi)外氣液的密度差)較小，往往達(dá)不到發(fā)酵過(guò)程的對(duì)溶解氧的需要；或者需要過(guò)大的氣速以維持環(huán)流，使過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性下降并使反應(yīng)器難以操作。(2)氣升式環(huán)流反應(yīng)器的流體剪切力小，在青霉菌在初級(jí)代謝階段，在充足的氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)的情況下，若外界的剪切力小，青霉菌易結(jié)成團(tuán)，不利于在次級(jí)代謝階段的產(chǎn)抗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是開發(fā)和提出一種用于青霉素發(fā)酵的氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器。本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種利用氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方法，以減小過(guò)程的能耗，提高發(fā)酵效率。
本發(fā)明的第一個(gè)目的由如下技術(shù)方案實(shí)施，一種用于青霉素發(fā)酵的氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，其包括塔體、與塔體同軸安裝的導(dǎo)流筒、氣體分布器，其中導(dǎo)流筒為單段或多級(jí)，其特征在于，所述氣升式環(huán)流反應(yīng)器的塔體下部為反應(yīng)段，上部為擴(kuò)大的氣液分離段，氣液分離段和反應(yīng)段的高度比為O. 15 O. 25，直徑比為I. 25 I. 42，塔體總高與反應(yīng)段內(nèi)徑之比為4. 5 8，導(dǎo)流筒內(nèi)徑和反應(yīng)段內(nèi)徑比為O. 5 O. 78，導(dǎo)流筒高度和反應(yīng)段高度比為O. 9 O. 65。所述導(dǎo)流筒的上下邊為由三角形缺口構(gòu)成的鋸齒邊緣，每個(gè)缺口的深度10 2Ctam,寬度10 2Ctam,缺口間距離5 15臟。空氣分布器的設(shè)計(jì)保證空氣沿與軸向夾角為30° 60°的錐面噴出，且出口線速率不小于2m/s.本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種利用氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方 法，在產(chǎn)黃青霉菌株種子培養(yǎng)完成后，按照8 10% (v/v)的接種量接入氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)開始發(fā)酵。發(fā)酵溫度為20 30°C;pH為6. O 7. O ;發(fā)酵全過(guò)程通氣比控制在O. 8 3vvm,通過(guò)調(diào)節(jié)通氣比，控制溶氧在30 %以上；發(fā)酵壓力為O. 08 O. IMpa ;發(fā)酵周期為160 170h ;整個(gè)發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵液菌絲濃度在35 45%。發(fā)酵過(guò)程需要補(bǔ)加碳源、氮源和前體，流加碳源為葡萄糖，葡萄糖濃度控制在70 85% (v/v)，葡萄糖流加量為I 2L/h ;流加氮源為硫酸銨，硫酸銨的濃度控制在30 40% (v/v)，硫酸銨流加量為O. I O. 2L/h ;流加前體物質(zhì)為苯乙酸，苯乙酸濃度控制在30 40% (v/v)，苯乙酸流加量為O. I O. 2L/h。本發(fā)明從優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、調(diào)整和優(yōu)化發(fā)酵工藝參數(shù)的角度實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)氣液分離段直徑大于反應(yīng)段直徑的涉及使得為反應(yīng)氣體和發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的其他氣體能迅速的擴(kuò)散，保證反應(yīng)的良好運(yùn)行，導(dǎo)流筒缺口和氣體分布器的設(shè)計(jì)和有利于增加一定量的剪切力，克服青霉菌易結(jié)成團(tuán)等問(wèn)題。(3)利用氣升式多級(jí)環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵，發(fā)酵效率高于機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的發(fā)酵，發(fā)酵周期可從縮短20%左右，發(fā)酵單位可提高10%以上；(4)相對(duì)于機(jī)械式發(fā)酵罐，發(fā)酵過(guò)程對(duì)菌絲體的剪切力小，菌絲體自溶的比例小，不會(huì)為后序的處理造成困難；(5)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的電耗平均為20 25Kwh/B0U，利用環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉菌發(fā)酵，發(fā)酵過(guò)程中電耗平均為10 21Kwh/B0U，只相當(dāng)于械攪拌發(fā)酵罐電耗損失的50%。(6)由于氣升式多級(jí)環(huán)流反應(yīng)器不存在機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐的聯(lián)軸器及軸承等輔助設(shè)備，大大降低了染菌率。附圖概要說(shuō)明附圖I顯示了本發(fā)明所述的氣升式環(huán)流反應(yīng)器附圖2顯示了氣升式環(huán)流反應(yīng)器中導(dǎo)流筒的缺口設(shè)計(jì)附圖3顯示了氣升式環(huán)流反應(yīng)器中氣體分布器的一種設(shè)計(jì)附圖4顯示了用于流加發(fā)酵的氣升式環(huán)流反應(yīng)器的具體設(shè)計(jì)
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I氣升式環(huán)流反應(yīng)器對(duì)于附

圖1-4中各個(gè)部件的說(shuō)明如下I-反應(yīng)段，2-氣液分離段，3-反應(yīng)器頂蓋，4-反應(yīng)器底封頭，5-換熱夾套，6_導(dǎo)流筒，7-導(dǎo)流筒開孔，8-進(jìn)料口，9-循環(huán)水入口，10-循環(huán)水出口，11-視鏡液位計(jì)，2-導(dǎo)流筒上定位支架，13-氣體分布器，14-導(dǎo)流筒下支架，15-進(jìn)氣管，16-排料口，17-流加口，18-流加口蒸汽保護(hù)，19-排氣口，20-安全閥，21-缺口設(shè)計(jì)本發(fā)明是對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器的各部件間的設(shè)計(jì)做出了具體的改進(jìn)，對(duì)于反應(yīng)罐的具體運(yùn)行與一般氣升式環(huán)流反應(yīng)器一致。實(shí)施例2
一種利用200L氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方法，種子培養(yǎng)完成后，按照8 10% (v/v)的接種量接入氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)開始發(fā)酵。發(fā)酵溫度為26°C ;pH為
6.5±0. I ;發(fā)酵過(guò)程通氣比2. 8vvm，控制溶氧在30%以上；發(fā)酵壓力為O. IMpa ;發(fā)酵周期為165h ;整個(gè)發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵液菌絲濃度為40%左右。利用200L氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵過(guò)程中，補(bǔ)加碳源為葡萄糖，葡萄糖濃度為83% (w/v)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程葡萄糖補(bǔ)加量為I. 8L/h;補(bǔ)加氮源為硫酸銨，硫酸銨的濃度為37% (w/v)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程硫酸銨補(bǔ)加量為O. 19L/h ;補(bǔ)加前體物質(zhì)為苯乙酸，苯乙酸濃度為36% (w/v)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程苯乙酸補(bǔ)加量為O. 19L/h。發(fā)酵終止后，放罐體積152L ;鏡檢菌絲形態(tài)完整，自溶較少；發(fā)酵液經(jīng)真空抽濾，濾速為I. 70mL/s，得到青霉素發(fā)酵單位為106880U/
mLo實(shí)施例3利用200L機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。種子培養(yǎng)完成后，按照8 10% (v/v)的接種量接入攪拌式發(fā)酵罐內(nèi)開始發(fā)酵。發(fā)酵溫度為25V ;pH為6. 4±0. I ;攪拌轉(zhuǎn)速380r/min ;發(fā)酵過(guò)程通氣比I. 3vvm,控制溶氧在30%以上；發(fā)酵壓力為O. 08Mpa ;發(fā)酵周期為192h ;整個(gè)發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵液菌絲濃度為40%左右。利用200L機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐進(jìn)行青霉素發(fā)酵過(guò)程中，補(bǔ)加碳源為葡萄糖，葡萄糖濃度為83% (w/v)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程葡萄糖補(bǔ)加量為I. 7L/h;補(bǔ)加氮源為硫酸銨，硫酸銨的濃度為36% (w/v)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程硫酸銨補(bǔ)加量為O. 21L/h ;補(bǔ)加前體物質(zhì)為苯乙酸,苯乙酸濃度為36% (w/v),運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程苯乙酸補(bǔ)加量為O. 20L/h。發(fā)酵終止后，放罐體積155L ;鏡檢多數(shù)菌絲斷裂、破碎，自溶較多，發(fā)酵液經(jīng)真空抽濾，濾速為I. 32mL/s，得到青霉素發(fā)酵單位為98643u/mL。實(shí)施例4按照實(shí)施例2實(shí)施方式，對(duì)氣升式環(huán)流反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10批。發(fā)酵終止后，鏡檢菌絲形態(tài)完好；平均過(guò)濾速度I. 73mL/s ;平均發(fā)酵周期為163h ;得到青霉素平均發(fā)酵單位為 106320u/mL。按實(shí)施例3實(shí)施方式，對(duì)200L機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10批。發(fā)酵終止后，鏡檢多數(shù)菌絲斷裂、破碎，自溶較多；平均濾速為I. 20mL/s ;平均發(fā)酵周期為192h ;得到青霉素平均發(fā)酵單位為96810u/mL。在發(fā)酵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，攪拌運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力平均為O. 75Kwh。通過(guò)以上實(shí)施例對(duì)比，利用氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵，發(fā)酵周期可以縮短15% ;發(fā)酵單位可提高10%左右；發(fā)酵設(shè)備對(duì)菌絲體的剪切力小，菌絲體的自溶比例??；發(fā)酵液抽濾速度提高了 40%以上；省去了機(jī)械攪拌，發(fā)酵過(guò)程中的動(dòng)力成本顯著降低。實(shí)施例6為更好獲得青霉素發(fā)酵效果，本發(fā)明發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)可分段進(jìn)行控制發(fā)酵種子培養(yǎng)菌絲濃度至20 40% (v/v)后，轉(zhuǎn)入氣升式環(huán)流反應(yīng)器開始發(fā)酵，發(fā)酵液體積168L。發(fā)酵溫度為25°C，壓力為O. 08Mpa。整個(gè)發(fā)酵周期170h，前O 60h通氣量8. 5m3/h (標(biāo)況，相當(dāng)于空塔氣速4cm/s),通氣比為O. 84vvm ;后60 90h通氣量13m3/h(標(biāo)況,相當(dāng)于空塔氣速6cm/s)，通氣比為1.29vvm;90h后，通氣量控制在20m3/h，(標(biāo)況，相當(dāng)于空塔氣速9.5cm/s)，通氣比為L(zhǎng)98vvm。補(bǔ)充碳源為葡萄糖，糖濃度在82 % (w/v)，流加量O 60h，在lL/h ；60 100h，流加量在I. 5L/h ；100h后，流加量在I. 8L/h ;硫銨濃度在35% (w/v)，O 60h，流加量在O. llL/h ；60 100h，流加量在O. 14L/h ; IOOh后，流加量在O. 17L/h ;苯乙酸濃度在38% (w/v)，在O 60h，流加量在O. 10L/h ;60 100h，流加量在0. 14L/h ；100h后，流加量在0. 19L/h ;發(fā)酵過(guò)程中最高菌絲濃度40%，溶解氧濃度維持在35%以上。發(fā)酵 結(jié)束時(shí)，得到青霉素發(fā)酵單位為100943u/ml。
權(quán)利要求
1.一種用于青霉素發(fā)酵的氣升式環(huán)流反應(yīng)器，其包括塔體、與塔體同軸安裝的導(dǎo)流筒、空氣分布器，其中導(dǎo)流筒為單段或多級(jí)，其特征在于，所述氣升式環(huán)流反應(yīng)器的塔體下部為反應(yīng)段，上部為擴(kuò)大的氣液分離段，氣液分離段和反應(yīng)段的高度比為O. 15 O. 25，直徑比為I. 25 I. 42，塔體總高與反應(yīng)段內(nèi)徑之比為4. 5 8，導(dǎo)流筒內(nèi)徑和反應(yīng)段內(nèi)徑比為O.5 O. 78，導(dǎo)流筒高度和反應(yīng)段高度比為O. 9 O. 65。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于青霉素發(fā)酵的氣升式環(huán)流反應(yīng)器，其特征在于，所述導(dǎo)流筒的上下邊為由三角形缺口構(gòu)成的鋸齒邊緣，每個(gè)缺口的深度10 20mm,寬度10 2Ctam,缺口間距離5 15臟。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的氣升式環(huán)流反應(yīng)器，其中空氣分布器保證空氣沿與軸向夾角為30° 60°的錐面噴出，且出口線速率不小于2m/s。
4.一種利用權(quán)利要求1-3的氣升式環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方法，其特征在于，在產(chǎn)黃青霉菌株種子培養(yǎng)完成后，按照8 10% (v/v)的接種量接入氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)開始發(fā)酵，發(fā)酵溫度為20 30°C;pH為6. O 7. O ;發(fā)酵全過(guò)程通氣比控制在O. 8 3vvm,通過(guò)調(diào)節(jié)通氣比，控制溶氧在30%以上；發(fā)酵壓力為O. 08 O. IMpa;發(fā)酵周期為160 170h ;整個(gè)發(fā)酵過(guò)程控制發(fā)酵液菌絲濃度在35 45%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的青霉素發(fā)酵的方法，其特征在于，發(fā)酵過(guò)程需要補(bǔ)加碳源、氮源和前體，流加碳源為葡萄糖，葡萄糖濃度控制在70 85% (w/v)，葡萄糖流加量為I 2L/h ;流加氮源為硫酸銨，硫酸銨的濃度控制在30 40% (w/v)，硫酸銨流加量為O. I O.2L/h;流加前體為苯乙酸，苯乙酸濃度控制在30 40% (w/v)，苯乙酸流加量為O. I O.2L/h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣升式環(huán)流反應(yīng)器及利用其進(jìn)行青霉素發(fā)酵的方法，氣升式環(huán)流反應(yīng)器的塔體下部為反應(yīng)段，上部為擴(kuò)大的氣液分離段，氣液分離段和反應(yīng)段的高度比為0.15～0.25，直徑比為1.25～1.42，塔體總高與反應(yīng)段內(nèi)徑之比為4.5～8，導(dǎo)流筒內(nèi)徑和塔體內(nèi)徑比為0.5～0.78，導(dǎo)流筒高度和反應(yīng)段高度比為0.9～0.65。在氣升式環(huán)流反應(yīng)器中，通入空氣，采用產(chǎn)黃青霉菌株生產(chǎn)青霉素，發(fā)酵溫度為20～30℃，pH為6.0～7.0，發(fā)酵壓力為0.08～0.1MPa，通氣比控制在0.8～3vvm之間，發(fā)酵時(shí)間160～170h。
文檔編號(hào)C12M1/04GK102732416SQ20121020156
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者喬文慶, 劉振濤, 周天舒, 蓋來(lái)兵 申請(qǐng)人:石藥集團(tuán)中潤(rùn)制藥(內(nèi)蒙古)有限公司